[发明专利]一种微波法制备磷/氧掺杂纳米多孔碳材料的方法

说明书

本发明公开了一种微波法制备磷/氧掺杂纳米多孔碳材料的方法，(1)将碳源、磷源和微波吸收剂按照不同的比例均匀混合，得到混合物；(2)将分散剂和上述混合物置于微波反应器中，在空气气氛下发生微波反应，待产物自然冷却后，将产物用酸洗和水洗去除杂质，干燥，得到磷/氧掺杂纳米多孔碳材料。该产品物化性质稳定，且具有较高比表面积和比电容。

技术领域

本发明涉及纳米材料制备方法，特别涉及一种微波法制备磷/氧掺杂纳米多孔碳材料的方法。

背景技术

伴随着化石燃料过度消耗和枯竭，使能源需求越来越迫切，新型可再生能源如太阳能、风能、水能和核能等的出现很大程度上解决了能源危机问题，目前通过新能源获得的能量主要以电能的形式被储存和利用，对能量存储设备和器件也提出了新的挑战。超级电容器作为一种重要的储能装置，它即不同于传统电容器又结合了传统电容器和可充电电池的优点包括其高功率密度、高能量密度、快速充放电、循环时间长和高稳定性而引起了人们的兴趣并在电子设备、智能电网或混合动力和电动汽车等获得广泛应用。

通俗来说，高性能超级电容器电极需要高离子传输速率和可达比表面积、高电导率及高电化学稳定性，人们为了制备具有优异性能且对超级电容器的性能有决定作用的电极材料进行了各种努力。碳材料不仅具有高的导电性、大的比表面积，成本低廉、还具有优异的循环稳定性及对环境友好等特性，在超级电容器电极材料中起着关键作用。多孔碳的孔结构和分布对其电化学性能起着关键作用，分级多孔碳对储能具有极大的吸引力，中孔和大孔有利于电解质的快速扩散而微孔提供了更高的比表面积，因此精确控制孔径和优化孔结构，可以使碳电极表面可以接近电解质离子以获得更好的电化学性能。大多数碳材料作为超级电容器电极具有高功率密度和优异的稳定性，而其比电容和能量密度不足以满足实际应用要求。因此，开发性能优异的超级电容器电极材料已成为人们的共同期望。研究表明B、N、P、S等杂原子的引入可以增加碳材料赝电容并提高材料表面润湿性和导电性使其保持良好的循环性能。这些杂原子可以发挥提高碳材料电容和改善电子传输的双重功能，从而提供更强的电导率。掺杂不仅可以提高碳骨架的导电性，还可以为超级电容器引入额外的赝电容。磷掺杂可以改善碳的润湿性和电化学稳定性，从而使电极具有优异的速率性能和循环性能，磷原子比碳原子具有更大的原子半径和更低的电负性，磷掺杂碳材料中碳的结构缺陷和电荷密度会发生变化，结构畸变和电荷密度变化都有望提高电容性能。

然而，目前制备多孔炭的策略通常包括软/硬模板，化学/物理活化法或有机反应等，这是一项复杂而耗时的任务并通常伴随着复杂的拆卸程序，因此很难实现大规模生产。虽然可以利用活化剂如KOH、ZnCl₂或磷酸等与碳在高温下的化学反应，获得高孔隙率和大表面积，但是处理工艺繁琐，并且在惰性气氛保护下，在高温(600～1000℃)下碳化1-4h是利用各种原料制备多孔炭的必要条件，该工艺的能源利用率低得令人难以忍受，必要的惰性气体保护使制造条件苛刻，制造工艺往往能耗很高，产量偏，低后处理会产生二次污染，不利于节能环保。可是，微波辐射由于其省时省能、升温快、环境友好、受热均匀等优点，微波穿透样品，以偶极子旋转和离子传导来转换能量，这种能量向外传输从而导致从粒子内部到外部的温度梯度，在短时间内实现迅速升温。因此，由于其在快速、均匀的体积加热和合成时间的急剧收缩等方面显示出的优势，已成为化学合成中一种非常流行和有用的技术。此外，与其他方法相比它在加热和反应时间方面的显著优势，促进了它在化学反应和无机材料合成中的应用。

目前，微波反应法是一种新型的加热方法，具有升温速率快、反应程度高、节能环保等优点，已被研究者尝试由于纳米碳材料的研究。采用微波固相加热还原氧化石墨烯取得了突破性进展，Voiry研究组采用家用微波炉预热处理结合微波还原的方法(发表于Science，2016，353，1413)制备的石墨烯碳基团含量高、表面缺陷数量少。微波加热导致了温度的快速升高，促进了含氧基团在时间尺度上的快速去除，而时间尺度太短，不会破坏薄片的稳定性。但是，预处理步骤中还需要长时间传统加热方式对氧化石墨烯进行预还原，缩短预处理步骤，以提高微波固相加热工艺生产效率，依然是需要进一步的研究。

发明内容